Micro Systèmes n°102 novembre 1989
Micro Systèmes n°102 novembre 1989
  • Prix facial : 30 F

  • Parution : n°102 de novembre 1989

  • Périodicité : mensuel

  • Editeur : Société Parisienne d'Edition

  • Format : (203 x 271) mm

  • Nombre de pages : 230

  • Taille du fichier PDF : 188 Mo

  • Dans ce numéro : technologie... laser et informatique.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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FENETRE SUR LA PUISSANCE DES LASERS L es lasers sont généralement caractérisés par la longueur d'onde de la lumière émise, mesurée en nanomètres, en microns ou en angstroms. Pour un type donné de laser, il est possible de modifier la longueur d'onde en altérant le matériau du laser. Par exemple un laser de type excimer peut fonctionner avec des mélanges de fluorure d'argon, de fluorure de krypton, de chlorure de xénon et de fluorure de xénon, les longueurs d'onde correspondantes étant respectivement de 193, 248, 308 et 351 nm. Pour d'autres types, comme par exemple les lasers à ions d'argon, il existe plusieurs possibilités de transitions laser qui (selon les propriétés réfléchissantes des revêtements optiques) peuvent fonctionner à 488 nm, 514,5 nm et diverses autres longueurs d'onde dans les domaines ultraviolet et bleu/vert. Dans le cas des lasers à semi-conducteurs, la longueur d'onde émise dépend en partie de la composition de la région active. les diodes laser les plus courantes sont celles utilisées dans les lecteurs de disques compacts (780 nm) et dans les télécommunications (1 300 à 1 550 nm). Bien qu'il soit possible d'obtenir une grande diversité de longueurs d'onde avec les diodes laser, les modèles commercialement disponibles sont relativement peu nombreux en raison de considérations d'ordre économique. Les lasers à l'état solide les plus courants utilisent un grenat d'yttrium aluminium (YAG) dopé au néodyme, toutefois il est possible d'utiliser d'autres supports (y compris des verres et des cristaux) et d'autres dopants. En fait, il est préférable d'utiliser d'autres supports pour obtenir des longueurs d'ondes spécifiques. Qui plus est, il est possible de modifier la longueur d'onde émise par un laser en utilisant divers types de colorants et de matériaux non linéaires. Parmi ces conversions, la plus utilisée ces dernières années consiste à convertir de 1064 nm à 532 nm les rayonnements de lasers infrarouges à l'état solide (le rayonnement obtenu se trouvant ainsi dans la région visible du spectre). Un autre exemple consiste à générer une lumière ultraviolette en doublant la fréquence de lasers à l'état solide (conversion de 532 nm à 266 nm) ou de lasers à ions d'argon (conversion de 488 nm à 244 nm). Dans le choix d'un laser en vue d'une application spécifique, les critères les plus importants sont ceux du tableau A. (les lasers cités dans ce tableau représentent seulement une partie des quelque 200 modèles et types de lasers dont la liste est donnée dans le 1989 laser Focus World Buyer's Guide [Tulsa, OK : PennWell Books].) Les lasers nécessitent souvent des réglages importants pour obtenir des longueurs d'onde spécifiques. De même la puissance disponible peut dépendre de la longueur d'onde spécifique. Par exemple, les lasers à colorant (non traités ici) utilisent un support laser liquide, pompé soit par un autre laser soit par une lampe flash. Ces lasers peuvent fonctionner en mode continu (CW) ou impulsionnel et atteindre des puissances de 1,5 W et des énergies de 3,5 joules. En modifiant le colorant du laser, la longueur d'onde peut varier de 205 à 1000 nm, selon la conception du laser et le type de pompe ou lampe utilisé. Pour accomplir une tâche spécifique, comme des applications de soudage ou d'écriture sur un disque optique, la puissance ou l'énergie du laser représente une caractéristique importante. Les lasers en régime continu délivrent une puissance constante, habituellement exprimée en watts, milliwatts ou microwatts. l'énergie des lasers à impulsion est exprimée en joules, millijoules ou microjoules. Différentes techniques sont utilisables pour faire fonctionner un laser en régime impulsionnel Elles dépendent de la conception choisie pour le laser. Il est par exemple possible de faire fonctionner en régime impulsionnel la lampe flash utilisée pour pomper le laser, celui-ci délivrant alors des impulsions de lumière. Il est également possible de placer un obturateur à grande vitesse (la vitesse se mesurant ici en nanosecondes) à l'intérieur de la cavité laser et de l'utiliser pour interrompre de façon périodique le faisceau laser. Il en résulte des impulsions de lumière dont la durée est de quelques dizaines de nanosecondes. Dans le cas d'un laser à semi-conducteur, il est possible de lui fournir des impulsions de courant avec un signal de type TTL ou de très courtes impulsions de l'ordre de la picoseconde, ce qui génère ici également des impulsions de lumière. le principal intérêt d'un laser à impulsions est de permettre des crêtes de puissance élevées - c'est-à-dire une plus grande énergie par unité de temps. Ces techniques permettent d'atteindre des puissances de crête de l'ordre du gigawatt. Certains lasers spécialisés (comme ceux utilisés dans les applications de fusion) permettent même d'atteindre des puissances de sortie de plusieurs térawatts.11 arrive couramment qu'un même matériau laser se prête aussi bien à des applications en régime continu qu'en régime impulsionnel. Parmi les matériaux supportant ces deux modes figurent le YAG au néodyme, le gaz carbonique et les diodes laser à semiconducteur. Enfin, la taille globale d'un laser peut être un facteur important car les lasers sont souvent incorporés dans d'autres équipements. Par exemple un système de surveillance de la pollution atmosphérique utilisant un laser et devant être embarqué dans un petit avion doit être suffisamment petit pour pouvoir entrer dans l'avion et doit être compatible avec les équipements électriques et de refroidissement par eau disponibles, le tableau A indique les dimensions par catégorie. la lettre G signifie Grand (longueur supérieure à I mètre, nécessitant un refroidissement par eau et une alimentation électrique de 220 ou 440 V), M signifie Moyen (environ les dimensions d'un carton à chaussures, souvent alimenté en 110 V et refroidi par air) et P signifie Petit (fonctionnement sous basse tension, boîtiers de type électronique et dimensions de l'ordre du centimètre ou moins). La dimension d'un laser dépend souvent de sa puissance de sortie car les lasers de forte puissance utilisent une zone laser active plus importante et génèrent une plus grande quantité de chaleur non utilisée qu'il faut évacuer. G.T.F. par les types de laser disponibles. Il existe par exemple des lasers à gaz émettant dans le spectre visible, utilisant du gaz krypton, atteignant des puissances de plusieurs watts et dont 174 - MICRO-SYSTEMES les longueurs d'ondes sont inférieures à 780 nm ; dans ces conditions, pourquoi ne pas les utiliser dans des imprimantes laser ? Des lasers à gaz ont effectivement été utilisés dans des imprimantes, mais leur longueur peut aller de 30 cm à plusieurs mètres et ils doivent être refroidis par air ou souvent par eau. Les diodes laser ont résolu ce pro- Novembre 1989
blème. Elles ont les dimensions d'un grain de sable et sont maintenant scellées dans de petits boîtiers étanches dont les dimensions sont inférieures au centimètre. En introduisant dans des photocopieuses peu onéreuses des diodes laser de petite taille et d'un coût minimal, Canon a su tirer parti du succès foudroyant des lecteurs de disques compacts (leur production annuelle est, en effet, passée de quelques centaines d'unités à plusieurs millions en quelques années, et leur prix est passé de plusieurs centaines de dollars à quelques dizaines de dollars). Cette évolution a débouché sur les imprimantes laser pour ordinateurs personnels. Conçu sur ordinateur Les lasers et les ordinateurs sont entrés dans une phase de synergie. Au niveau de la conception mécanique de base, l'industrie des lasers utilise des systèmes de CFAO permettant de concevoir et de fabriquer des pièces mécaniques de très grande précision. Les lasers doivent, en effet, être alignés selon des tolérances inférieures à leur longueur d'onde, de telle sorte qu'il est vital de les construire avec une précision mécanique élevée. Dans le cas d'un laser émettant dans le domaine des longueurs d'ondes visibles, la précision est de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres. Les ordinateurs sont également utilisés, à un niveau plus avancé, afin d'optimiser la conception des cavités laser. Ils font appel pour cela à un traçage de rayons itératif simulé, suivant le chemin optique de la lumière dans la cavité laser au fur et à mesure de la modification des paramètres du dispositif (voir figure 1). Ainsi, l'un des principaux facteurs déterminant l'efficacité d'un laser est l'adaptation du volume en mode pompe (la zone éclairée par la pompe à lumière) au volume en mode laser (la région active du matériau laser). Les itérations exécutées sur un système de CAO permettent d'optimiser ces deux volumes et d'atteindre le meilleur degré de recouvrement et d'efficacité. Les diodes laser et les dispositifs électro-optiques autorisent une modélisation de l'interaction simultanée des propriétés électriques et optiques. Ainsi, pour concevoir son nouveau modèle de laser au saphir dopé au titane, Spectra-Physics a fait une utilisation d'un système de CAO sur micro. Afin de pouvoir fonctionner, les lasers font appel à des revêtements optiques dotés de propriétés réfléchissantes très particulières. A peu près tous les lasers comportent une surface miroir arrière hautement réfléchissante, ainsi qu'une surface avant partiellement réfléchissante laissant passer une partie de la lumière laser (voir figure 1). Certaines surfaces doivent etre antiréfléchissantes pour permettre un couplage efficace de la lumière à l'intérieur du laser. S'il n'existait qu'un seul type de laser doté d'une seule longueur d'onde, la réalisation des revêtements réfléchissants serait relativement simple. Malheureusement, la grande diversité des longueurs d'ondes disponibles nécessite l'utilisation d'une diversité presque aussi grande de matériaux pour la réalisation des revêtements et des surfaces réfléchissantes. Si bien que des couches multiples sont utilisées pour la réalisation des revêtements optiques et forment ainsi des empilages. L'épaisseur de chaque couche ne représente qu'une fraction de la longueur d'onde de la lumière à réfléchir. Les ordinateurs permettent mainte- nant de déterminer les paramètres physiques nécessaires, puis d'utiliser un modèle informatisé pour calculer la géométrie des revêtements appropriés. En plus des revêtements, les configurations optiques générées par CAO permettent de tracer et de fabriquer (par tournage au diamant) des surfaces asphériques spécifiques et ce, entièrement sous le contrôle de l'ordinateur. Contrôlé par ordinateur Pour bénéficier des propriétés de brillance et de finesse des lasers, il est souvent nécessaire de manipuler la direction du rayonnement. Les méthodes les plus utilisées pour déplacer les rayons laser comprennent de simples miroirs fixes ou à balayage, des galvanomètres de balayage et des déflecteurs électro-optiques. Il est également possible de déplacer non pas le rayon laser lui-même, mais la pièce à travailler à l'aide d'un moteur. De tels systèmes contrôlés par ordinateur peuvent être un simple PC 6300 d'AT&T dirigeant un microscope motorisé sous le contrôle du logiciel de CAO Design 3 ou Havard Graphics destiné aux applications de micro-usinage. Il peut également s'agir de systèmes sophistiqués tel que le Personal Iris System de Silicon Graphics utilisé comme interface de CFAO avec le Stéréolithography Apparatus de 3D Systems, déplaçant, sous le contrôle d'un ordinateur, un faisceau laser ultraviolet au travers d'une matrice en polymère pour fabriquer des prototypes de pièces en matière plastique. 3D Systems propose également des systèmes sous contrôle DOS/80286 ou Unix/80386 auquel il est possible d'associer une interface de CFAO personnalisée. Si l'on prend le contrôle automatisé Une cavité générée par la CAO illustrant la transformation d'un infrarouge de basse qualité en un infrarouge de haute qualité et lumière visible. Diode laser pump Focusing lenses Rear hlghly reflective surface 808 nm iTt LaSIng materlal 1064 nm Laser I cavity Frequency doubler Front partially reflective surface 532 nm Output beam Novembre 1989 MICRO-SYSTEMES — 1 75



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